3D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究.pdf

文章编号:1 0 0 1-9 7 3 1(2 0 2 3)0 7-0 7 0 0 1-0 93 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究*刘 超1,张治宁1,刘化威2,张 韦2(1.西安建筑科技大学 理学院,西安7 1 0 0 5 5;2.西安建筑科技大学 土木工程学院,西安7 1 0 0 5 5)摘 要:3 D打印技术在建筑领域得到显著发展,为解决混凝土3 D打印行业实现可持续发展。通过对再生粗骨料(R C A)取代率为0%、5 0%、1 0 0%的3 D打印试件和铸模试件进行抗冻性能研究,结合3 D打印再生粗骨料混凝土(3 D P R A C)界面过渡区的电镜扫描分析其劣化成因。结果表明,在前2 0 0次冻融循环中R C A的掺入并没有明显降低3 D打印混凝土的质量和动弹模量;在6 0 0次冻融循环后R C A为1 0 0%掺量的3 D打印再生混凝土抗冻性能表现优于R C A掺量为5 0%。基于3 D打印再生混凝土逐层堆叠的建造特点,提出了3 D P R A C孔隙区域集中分布模型,揭示了3 D P R A C冻融损伤劣化机理。建立的冻融损伤模型能够较好地反映3 D P R A C抗冻性能变化规律。关键词:3 D打印混凝土;再生粗骨料;冻融循环;微观结构;冻融损伤模型中图分类号:TU 5 2 8文献标识码:AD O I:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 1-9 7 3 1.2 0 2 3.0 7.0 0 10 引 言3 D打印技术(亦称增材制造)作为智能建造的核心技术,是目前建筑业中发展最快的技术之一1。3 D打印技术逐层堆叠的建造方式利于材料节约和能源节省。随着我国基础设施建设不断发展,人民生产生活的便捷度 不断提高,然而,建筑垃 圾产量也随 之增加2,不仅占用土地资源,还带来严重的大气污染和水污染3-4。建 筑 固 废 资 源 化 是 建 造 行 业 的 发 展 趋势5-7,采用废弃混凝土生产再生粗骨料(R C A)是建筑垃圾资源化的重要途径。3 D打印技术与再生混凝土相结合,将为绿色建筑的推广应用提供一定参考。3 D打印技术由于缺乏模板,打印材料需要同时具有顺利通过管道泵送和喷头挤出的能力,所以3 D打印混凝土多使用的是没有粗骨料的砂浆。这意味着水泥和细骨料(天然砂)的数量增加,这种增加进一步提高了成本和环境负担。因此,应用环境友好的3 D打印混凝土材料,特别是粗骨料,对混凝土3 D打印建筑的可持续发展至关重要。S c h u t t e r8研究表明3 D打印材料需要有较好的流变性和硬化性能。D i n g等9-1 0研究表明,再生砂的加入可以加速3 D打印混凝土早期强度的发展。武怡文1 1等研究表明,R C A替代天然粗骨料(N C A)可以有效提升3 D打印混凝土的可建造性。同时再生粗骨料的添加可以解决结构硬化后容易存在干缩裂缝严重等问题,并且3 D打印混凝土的添加剂可以消除再生骨料收缩率更大的负面影响。这也使得3 D打印再生混凝土(3 D P R A C)获得了广泛关注。R C A与N C A相比具有吸水率和孔隙率高的特点,这使得再生混凝土(R A C)更易遭受冻融破坏。对于寒冷地区的建筑物,抗冻性是评价混凝土耐久性的重要指标之一1 2。混凝土的抗冻性能与其内部细观结构和气孔系统有着直接的联系。3 D打印混凝土逐层堆叠的独特建造方式,与传统浇筑的施工工艺有明显的区别1 3-1 4。众多学者研究表明3 D打印混凝土与传统铸模混凝土有着不同的孔隙结构1 5-1 6。Z h a n g1 7等对3 D打印和铸模砂浆试件进行了1 0 0 0次冻融循环发现3 D打印试件的动弹性模量较低。N o d e h i1 8等通过对3 D打印混凝土耐久性研究发现,层间打印间隔是影响3 D打印混凝土耐久性的重要因素。但是目前有关3 D P R A C内部孔隙结构缺陷这一关键核心问题对耐久性影响机理的研究少有报道。本文设计了R C A取代率为0%、5 0%、1 0 0%的3 D打印混凝土试件,对其进行抗冻性能研究,通过对试件进行6 0 0次冻融循环试验,以及对3 D P R A C进行电镜扫描,分析3 D P R A C劣化机理,分别建立以相对抗压强度和相对动弹性模量为变量的3 D P R A C的冻融损伤模型,本研究有助于3 D P R A C在寒冷地区的应用推广。10070刘 超 等:3 D打印再生粗骨料混凝土抗冻性能试验研究*基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 1 7 8 2 5 1);“十三五”国家重点研发计划项目(2 0 1 9 Y F C 1 9 0 7 1 0 5);西安市科技计划重点产业链核心技术攻关项目(2 0 2 2 J H-Z C Z C-0 0 2 6);陕西省杰出青年科学基金项目(2 0 2 0 J C-4 6)收到初稿日期:2 0 2 3-0 1-2 0收到修改稿日期:2 0 2 3-0 3-2 1通讯作者:刘 超,E-m a i l:c h a o l i u x a u a t.e d u.c n作者简介:刘 超(1 9 8 2),男,教授,博导,从事混凝土建筑智能建造与建筑固废资源化应用研究。1 实 验1.1 实验原材料采用P.O 4 2.5普通硅酸盐水泥作为主要胶凝材料,其他辅助胶凝材料有:粉煤灰、硅灰、早强剂,外加剂包括 聚 羧 酸 高 效 减 水 剂,纤 维 素 醚 和P VA纤维。砂为普通河砂,最大粒径3mm,含水率3%,含泥量为0.8%。粗骨料为N C A和R C A,粗骨料和细骨料的基本物理性能见表1。R C A是由老旧建筑拆除的混凝土破碎筛分而来。R C A中老骨料(未包含砂浆)质量占比为2 8.3 3%,附着有砂浆的骨料质量占比为1 9.6 7%,老砂浆块质量占比为4 7.3 3%,杂质质 量 占 比 为4.6 7%。粗 骨 料 的 粒 径 范 围 为57mm,71 0mm,1 01 2mm,质量占比81 57。试件编号如表2,配合比见表3。表1 粗骨料和细骨料物理性能T a b l e1P h y s i c a l p r o p e r t i e so f c o a r s e a n d f i n e a g g r e g a t e sP h y s i c a l p r o p e r t i e sF i n ea g g r e g a t e C o a r s ea g g r e g a t eC r u s h i n g i n d e x/%1.81 4.9F i n e n e s sm o d u l u s2.1-W a t e ra b s o r p t i o n/%2.91.1V o l u m ed e n s i t y/k gm-314 2 513 3 1表2 试件编号T a b l e2S p e c i m e nN o.C o n s t r u c t i o nm e t h o dAm o u n to fr e c y c l e da g g r e g a t e sS p e c i m e nN o.3 Dp r i n t i n gg r o u p0%3 D P-N5 0%3 D P R-5 01 0 0%3 D P R-1 0 0C a s t c o n c r e t eg r o u p0%C-N5 0%C R-5 01 0 0%C R-1 0 0表3 混凝土配合比T a b l e3C o n c r e t ep r o p o r t i o nS u b s t i t u t i o nr a t e/%W a t e r-g l u er a t i oW a t e r C e m e n tE a r l ys t r e n g t hN C AR C AF i n ea g g r e g a t eS i l i c af u m eF l ya s hP VAf i b e rW a t e rr e d u c e rC e l l u l o s ee t h e r00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 01.4 9 900.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 0 80.0 0 25 00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 00.7 4 90.7 4 90.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 1 00.0 0 21 0 00.30.3 7 51.0 0 00.1 0 001.4 9 90.9 9 90.0 5 00.1 0 10.0 0 10.0 1 10.0 0 21.2 试件制备采用的混凝土3 D打印机由两部分组成,分别是控制打印参数的控制系统和打印主体结构的运动系统。打印主体尺寸为3.5m3.5m3m,在该尺寸内通过到将未凝结混凝土导入料斗经过挤压由打印喷头打印出。运动主体底部配备了3张1.5m3m可滑动钢打印平面。打印参数通过控制系统调节,打印喷头形状为圆形,喷头直径选用4 0mm,喷头移动速度为1 1 01 2 0mm/s,初始打印高度为2 0mm,之后每层打印条高度增加1 8mm。由于逐层堆叠的方式会造成混凝土在力学性能上呈现各向异性,故定义X方向为打印喷头横向移动路径方向,Y方向为同平面内垂直打印条长度增加方向,垂直于X Y所在水平面为Z方向。混凝土 试 件 打 印 后 覆 膜 养 护2 4h(环 境 温 度1 8,相对湿度6 5%),拌合料经搅拌后一部分倒入3 D打印机器经打印喷头挤出成型,另一部分拌和材料导入模具振捣成型。为保证切割尺寸精度,首先采用全自动红外线石材切割机进行切割,随后采用双端面磨石机进一步打磨平整,并在试件表面标记X/Y/Z方向。切割完成的3 D打印试件以及普通模具拆模后试件放入温度为(2 02),相对湿度9 5%的养护箱养护至2 8d龄期。试件制备流程见图2。图1 混凝土3 D打印机及打印示意图F i g.1C o n c r e t e3 Dp r i n t e ra n dp r i n t i n gd i a g r a m200702 0 2 3年第7期(5 4)卷图2 试件制备流程图F i g.2F l o w c h a r to f s p e c i m e np r e p a r a t i o n1.3 抗冻性试验试验按照G B/T5 0 0 8 2普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准 进行,冻融仪器为天津港源实验仪器厂生产的T D R-2 8型号快速冻融试验机。1.4 S EM电镜扫描测试试验采用卡尔蔡司(上海)管理有限公司生产的G e m i n i S EM 5 0 0型场发射扫描电子显微镜对原材料及破坏试样进行微观形貌分析。2 结果与分析2.1 抗冻性能2.1.1 冻融循环后试件表面形态分析混凝土试件经过冻融循环后试件内部膨胀冻裂导致外表面掉渣、棱角破损是其发生冻融损伤破坏的典型特征,这些特征可以直接观察。铸模混凝土试件和3 D打印混凝土试件经历6 0 0次冻融循环前后,试件表观破坏形貌对比如图3所示。图3 6组试件冻融破坏表现F i g.3F r e e z e-t h a wf a i l u r eo f s i xg r o u p so f s p e c i m e n s 未经过冻融循环时,铸模试件表面光滑平整没有骨料外露的情况,3 D打印组试件由于切割导致骨料外漏,整体表面平整没有孔洞。3 0 0次冻融循环后,铸模组试件开始出现小面积的砂浆脱落,3 D打印组试件本来就裸露的再生骨料开始有不同程度的剥落,3 D P R-5 0和3 D P R-1 0 0组试件表面出现少量孔洞。6 0 0次冻融循环后,铸模组试件出现大面积砂浆脱落,棱角处出现微小破损,其中C R-1 0 0组试件表层浆体脱落严重,粗糙不平,粗骨料外漏。3 D P-N试件表面仍保持较高平整度没有出现孔洞及骨